JP2020047775A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

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慶太 松田
Keita Matsuda
慶太 松田
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Sumitomo Electric Device Innovations Inc
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Abstract

【課題】半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第１工程と、金属配線の開口から露出した部分、有機絶縁層の開口の内側面、及び有機絶縁層の開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第２工程と、シード金属層の端縁を覆い、シード金属層の開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第３工程と、マスクから露出したシード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第４工程と、を含む。マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
特許文献１には、半導体装置およびその製造方法に関する技術が記載されている。この文献に記載された製造方法では、Ａｕバンプの下地膜（ＵＢＭ：Under Bump Metal）として使用している導電膜（下層からＴｉ膜／Ｐｄ膜）を用いて再配線を形成する。Ｔｉ膜及びＰｄ膜を、スパッタ法を用いて成膜する。再配線の抵抗が問題となる場合には、Ｐｄ膜上にＡｕ膜を形成し、下層からＴｉ／Ｐｄ／Ａｕを有する再配線構造とする。
特許文献２には、バンプ形成方法に関する技術が記載されている。この文献に記載されたバンプ形成方法では、導電性パッドが形成された基板上に拡散防止膜パターンを形成し、次いでシード膜を形成する。次に、このシード膜上に導電性バンプを形成し、導電性バンプをエッチングマスクとして用いつつシード膜をパターニングする。拡散防止膜パターンは拡散防止膜にドライエッチングを施すことにより形成され、シード膜パターンはシード膜にウェットエッチングを施すことにより形成される。
特許文献３には、半導体装置に関する技術が記載されている。この文献に記載された半導体装置において、半導体基板の上面側に形成されたソース電極は、二種類のパッシベーション膜（ハードパッシベーション膜およびパッシベーション膜）により被覆されている。ソース電極を被覆するパッシベーション膜は開口を有し、バリア膜であるＵＢＭは該開口よりも広く形成されている。
特開２００５−１５０５７８号公報 特開２００７−２５１１５８号公報 特開２０１７−１３０５２７号公報
半導体装置を基板などにフリップチップ実装するため、ボールグリッドアレイ（Ball Grid Array：ＢＧＡ）のパッケージが用いられることがある。この様な半導体装置の配線層の上には半田バンプが形成される（例えば特許文献１〜３を参照）。半田と配線層との間での金属材の相互拡散を抑制するため、配線層と半田バンプとの間にバリア金属層（ＵＢＭ）を設ける。また、半導体領域の上には例えばポリイミドなどの絶縁膜が設けられる。
しかしながら、ＵＢＭとして機能するバリア金属層と絶縁膜との密着性が低い場合、例えば半田ボール搭載時に発生する熱応力などによりバリア金属層が絶縁膜から剥がれ易いという問題がある。特に、絶縁膜にポリイミドなどの有機絶縁体が含まれる場合、バリア金属層と有機絶縁体との間で熱膨張率差が大きいため、このような問題が顕著に生じる。バリア金属層と絶縁膜との間に隙間が生じると、その隙間に半田が侵入するおそれがある。半田が侵入すると、バリア金属層と配線層との界面で破断が生じ易くなり、半導体装置の信頼性が低下する。この現象は、バリア金属層と配線層との界面において生じるので、バリア金属層を厚くしても解決できない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第１工程と、金属配線の開口から露出した部分、有機絶縁層の開口の内側面、及び有機絶縁層の開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第２工程と、シード金属層の端縁を覆い、シード金属層の開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第３工程と、マスクから露出したシード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第４工程と、を含む。マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む。
本発明による半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１Ａを示す平面図である。 図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面（半田ボール１７の下地構造）の拡大図である。 図３の（ａ）及び（ｂ）は、半導体装置１Ａの製造方法における各工程を示す断面図である。 図４は、半導体装置１Ａの製造方法における各工程を示す断面図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の、半田ボール１７の下地構造を示す拡大断面図である。 図６の（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。 図７は、一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。 図８は、一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。 図９は、一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。 図１０は、一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。 図１１は、一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。 図１２は、従来の方法により製造された半田ボール１７の下地構造の拡大断面図である。
本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置１Ａを示す平面図である。図１に示されるように、本実施形態の半導体装置る１Ａは、半導体領域１０の表面に設けられた複数の半田ボール１７を有するＢＧＡタイプの半導体装置である。複数の半田ボール１７は、半導体領域１０の一面においてグリッド状に配列されている。
図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面（半田ボール１７の下地構造）の拡大図である。図２に示されるように、半導体装置１Ａは、半導体領域１０と、半導体領域１０の面上に設けられた金属配線１２と、半導体領域１０の面上に設けられた無機絶縁層１１及び有機絶縁層１４と、を備える。さらに、半導体装置１Ａは、無機絶縁層１３と、シード金属層１５と、バリア金属層１６と、半田ボール１７とを備える。
半導体領域１０は、例えば、窒化物半導体デバイスにおいては、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）もしくは窒化アルミニウムインジウム（ＩｎＡｌＮ）からなるバリア層とを含む。この場合、半導体装置１Ａは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成する。なお、半導体領域１０は、ＨＥＭＴ以外の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、あるいはそれ以外の半導体機能デバイスのための半導体層を含んでもよい。
金属配線１２は、第１の無機絶縁層１１上に設けられている。金属配線１２は、半導体領域１０とオーミック接触を成す電極（例えばソース電極及びドレイン電極）、あるいは半導体領域１０とショットキ接触を成す電極（例えばゲート電極）に接続されている。金属配線１２は、例えば金（Ａｕ）といった金属により構成されている。金属配線１２と半導体領域１０との間には、無機絶縁層１１が介在している。無機絶縁層１１は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）といったシリコン化合物である。金属配線１２の厚さは、例えば０．５μｍ〜３．０μｍの範囲内である。
第２の無機絶縁層１３は、例えば絶縁性のシリコン化合物層であり、一実施例ではＳｉＮ層もしくはＳｉＯ2層である。無機絶縁層１３は、半導体領域１０の面上の全面にわたって設けられており、第１の無機絶縁層１１及び金属配線１２を覆う。無機絶縁層１３は、無機絶縁層１１に接する。また、無機絶縁層１１は、金属配線１２の一部を露出する開口１３ａを金属配線１２上に有する。半導体領域１０の厚さ方向からみて、開口１３ａは半田ボール１７と重なる。無機絶縁層１３の厚さは、例えば０．０３μｍ〜３μｍの範囲内である。
有機絶縁層１４は、例えばポリイミド層である。有機絶縁層１４は、半導体領域１０の面上の全面にわたって設けられており、無機絶縁層１１及び金属配線１２を覆う。本実施形態では、有機絶縁層１４は無機絶縁層１３上に設けられており、無機絶縁層１３と接する。無機絶縁層１３と同様に、有機絶縁層１４は、金属配線１２の一部を露出する開口１４ａを金属配線１２上に有する。半導体領域１０の厚さ方向からみて、開口１４ａは、無機絶縁層１３の開口１３ａと一致しており、半田ボール１７と重なる。有機絶縁層１４の厚さは、例えば１μｍ〜６μｍの範囲内である。
シード金属層１５は、例えばチタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐａ）といった金属からなる層である。一例では、シード金属層１５は、Ｔｉ層及びＴｉ層上に設けられたＰｄ層を含む。この場合、Ｔｉ層の厚さは例えば０．００５μｍ〜０．１μｍの範囲内であり、一実施例では５０ｎｍである。また、Ｐｄ層の厚さは例えば０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲内であり、一実施例では１００ｎｍである。このシード金属層１５は、バリア金属層１６を無電解めっき処理により形成する際のシードメタルとして用いられる。また、シード金属層１５は、バリア金属層１６がＮｉ（もしくはＮｉＣｒ）を含み金属配線１２がＡｕを含む場合に、Ｎｉ（もしくはＮｉＣｒ）とＡｕとが合金を形成することを妨げる。
シード金属層１５は、金属配線１２の開口１３ａ，１４ａから露出した部分、無機絶縁層１３の開口１３ａの内側面、有機絶縁層１４の開口１４ａの内側面、及び有機絶縁層１４の表面１４ｂにおける開口１４ａの周縁部を覆う。本実施形態では、シード金属層１５は、金属配線１２の開口１３ａ，１４ａから露出した部分、無機絶縁層１３の開口１３ａの内側面、有機絶縁層１４の開口１４ａの内側面、及び有機絶縁層１４の表面１４ｂにおける開口１４ａの周縁部と接している。
バリア金属層１６は、例えばニッケル（Ｎｉ）若しくはニッケル・クロム合金（ＮｉＣｒ）といった金属からなる層である。バリア金属層１６は、半田ボール１７を構成する半田と金属配線１２を構成する金（Ａｕ）とが相互拡散することを防ぐために設けられる。バリア金属層１６は、シード金属層１５上に設けられ、シード金属層１５と接する。バリア金属層１６がＮｉ層である場合、その厚さは例えば３μｍ〜６μｍの範囲内である。
バリア金属層１６の厚さ方向から見て、バリア金属層１６の端縁（外縁）１６ａは、シード金属層１５の端縁（外縁）１５ａよりも内側（開口１４ａ側）に位置する。換言すると、バリア金属層１６の厚さ方向から見て、バリア金属層１６はシード金属層１５の内側に限定して設けられている。バリア金属層１６の端縁１６ａはシード金属層１５の端縁１５ａを越えておらず、従って、バリア金属層１６と有機絶縁層１４とは互いに接触していない（離間している）。シード金属層１５の端縁１５ａからバリア金属層１６の端縁１６ａまでの距離Ｗ１は、例えば４μｍ〜８μｍの範囲内である。なお、シード金属層１５及びバリア金属層１６の平面形状は例えば円形である。
半田ボール１７は、例えば錫および銀の合金（Ｓｎ−Ａｇ）などの金属によって構成される略球状の構造体である。半田ボール１７は、バリア金属層１６上に設けられ、バリア金属層１６の全体を覆う。半田ボール１７の一部は、シード金属層１５に接触してもよい。
続いて、上述した半導体装置１Ａの製造方法について説明する。図３の（ａ）及び（ｂ）並びに図４は、半導体装置１Ａの製造方法における各工程を示す断面図である。
まず、基板上に半導体領域１０をエピタキシャル成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて行われる。次に、半導体領域１０上に、図示しない電極（例えばゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極）を形成する。電極は、例えば半導体領域１０上に開口を有するレジストマスクを形成し、レジストマスクの開口内及びレジストマスク上に電極材料となる金属を蒸着し、レジストマスク上の金属をレジストマスクと共に除去する（リフトオフ）ことにより形成される。
続いて、図３の（ａ）に示されるように、半導体領域１０上に無機絶縁層１１を形成する。無機絶縁層１１の形成は、例えばプラスマＣＶＤ法により行うことができる。続いて、無機絶縁層１１上に、所定の平面パターンを有する金属配線１２を例えば電解メッキ法により形成する。このとき、金属配線１２と電極とは、無機絶縁層１１に形成された開口を介して互いに接続される。
続いて、金属配線１２が設けられた半導体領域１０の面上に、無機絶縁層１３及び有機絶縁層１４を形成する（第１工程）。無機絶縁層１３の形成は、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて行われる。有機絶縁層１４の形成は、例えば有機絶縁層１４の材料（例えばポリイミド）を半導体領域１０上にスピンコートすることにより行われる。そして、開口１３ａ，１４ａに対応する開口を有するマスク（不図示）を有機絶縁層１４上に形成し、このマスクを介して有機絶縁層１４をエッチングすることにより、開口１４ａを形成する。マスク材料は、例えばＳｉＮもしくはＳｉＯ2である。マスクの開口の形成には、フォトリソグラフィー技術もしくは電子線リソグラフィー技術が用いられる。その後、開口１４ａを通じて無機絶縁層１３をエッチングすることにより、開口１３ａを形成する。なお、開口１３ａ及び１４ａは、プラズマを用いたドライエッチングにより形成され得る。
続いて、シード金属層１５により、金属配線１２の開口１３ａ，１４ａから露出した部分、有機絶縁層１４の開口１４ａの内側面、無機絶縁層１３の開口１３ａの内側面、及び有機絶縁層１４の開口１４ａの周縁部を覆う（第２工程）。シード金属層１５は、各電極と同様に、蒸着及びリフトオフによって形成される。すなわち、シード金属層１５の平面位置及び平面形状に対応する開口を有するレジストマスクを有機絶縁層１４上に形成する。そして、レジストマスクの開口内及びレジストマスク上にシード金属層１５の材料となる金属を蒸着し、レジストマスク上の金属をレジストマスクと共に除去する（リフトオフ）。
続いて、有機絶縁層１４上にマスクＲを形成する（第３工程）。マスクＲはシード金属層１５上に開口Ｒａを有し、開口Ｒａの内径は開口１４ａの内径よりも大きく、シード金属層１５の外径よりも小さい。従って、半導体領域１０の厚さ方向からみて開口Ｒａはシード金属層１５に含まれており、マスクＲの開口Ｒａ付近の部分はシード金属層１５の端縁１５ａを覆う。マスクＲの開口Ｒａの内側面とシード金属層１５の端縁１５ａとの距離Ｗ２は、例えば４μｍ〜８μｍの範囲内である。また、マスクＲの開口Ｒａは、シード金属層１５の開口１３ａ，１４ａ内に形成された部分を露出する。
マスクＲは、有機材料を主に含む。例えば、マスクＲはネガ型レジストを含み、一実施例ではネガ型レジストからなる。その場合、ネガ型レジストを有機絶縁層１４上及びシード金属層１５上に塗布し、開口Ｒａに相当する領域を除く他の領域を露光し現像することにより、露光されていない開口Ｒａに相当する領域のみを除去することができる。
続いて、図３の（ｂ）に示されるように、マスクＲの開口Ｒａから露出したシード金属層１５上に、バリア金属層１６を形成する（第４工程）。このとき、バリア金属層１６を、シード金属層１５をシードメタルとする無電解メッキ法により形成する。具体的には、自己触媒メッキの次亜リン酸塩を触媒とする無電解メッキ処理（例えば自己触媒型無電界メッキ処理）により、バリア金属層１６を形成する。無電解メッキを使用する理由は、電界メッキに比べて信頼性に優れているからである。
無電解メッキとは、外部電源を使用せずにメッキを施す方法であり、イオン化傾向を用いる置換型メッキ、還元剤を用いる自己触媒型の無電解メッキ（還元型メッキ）、そして、これらを組み合わせた置換還元型メッキ等がある。ここでは、自己触媒型の無電解メッキを用いたが、他の無電解メッキを用いてもよい。一方、電解メッキとは、外部電源を使用して電極間に電流を流すことで陰極から電子を与え、メッキを施す方法である。
この工程では、無電解メッキにおけるシードメタル（シード金属層１５）の露出面がマスクＲによって制限されている。従って、バリア金属層１６は、マスクＲによって制限された範囲内（開口Ｒａ内）で成長する。マスクＲは、バリア金属層１６の横方向の成長を制限する。その結果、開口Ｒａ内はバリア金属層１６によって充填される。
続いて、バリア金属層１６上にＡｕ層５１（図２を参照）を形成する。Ａｕ層５１の形成は、例えば無電解メッキ処理、電界メッキ処理、蒸着・リフトオフ法、またはスパッタリング法などを用いて行われる。その後、図４に示されるように、マスクＲを除去する。マスクＲの除去後、有機絶縁層１４の表面に酸素プラズマを短時間照射してもよい。これにより、有機絶縁層１４の有機成分を酸素と反応させ、有機絶縁層１４の表面状態を改善することができる。
その後、バリア金属層１６上（Ａｕ層５１上）に半田ボール１７（図２を参照）を形成する（第５工程）。この工程では、フラックスを塗布したのち、例えば直径１６０μｍといった大きさの半田ボール１７を、例えば２５０℃といった温度下でリフロー（熱処理）形成する。シード金属層１５と連続して形成したＡｕは、この工程でほぼ半田ボール１７内に拡散する。その後、フラックスの洗浄を行う。以上の工程を経て、図１及び図２に示された本実施形態の半導体装置１Ａが作製される。
以上に説明した本実施形態による半導体装置１Ａの製造方法によって得られる効果について、従来の製造方法が有する課題と共に説明する。図１２は、従来の方法により製造された半田ボール１７の下地構造の拡大断面図である。従来の方法では、図３の（ａ）に示されたマスクＲを形成しないで、バリア金属層１６を形成する。この場合、図１２に示されるように、バリア金属層１６がシード金属層１５を超えて横方向に成長し、シード金属層１５に覆われていない有機絶縁層１４上に到達する。
通常、ＢＧＡタイプの半導体装置は、ＢＧＡに応じた配線パターンを有するプリント配線基板上に実装される。プリント配線基板は、多くの場合、樹脂基板をベースとして形成されている。一方、半導体装置が有する基板は、半導体もしくは無機絶縁体からなる。従って、プリント配線基板と半導体装置の基板とでは熱膨張係数の差が大きく、半田ボール１７を形成する際の温度変化、及び使用環境における周囲温度の変動等によって、プリント配線基板と半導体装置の基板との間にストレスが生じる。一般に、半導体装置はプリント配線基板よりも小さいので、このようなストレスを半田ボールが或る程度吸収していると考えられるが、半導体装置の基板にも幾らかのストレスが及ぶ。このストレスは、半導体装置からの半田ボール下地構造の剥がれを引き起こす。特に、図１２に示されるように有機絶縁層１４とバリア金属層１６との間にシード金属層１５が介在していない部分がある場合、有機絶縁層１４とバリア金属層１６との熱膨張係数の差が大きく、また有機絶縁層１４とバリア金属層１６との密着性が低いことから、バリア金属層１６が有機絶縁層１４から剥がれ易い。なお、有機絶縁層１４を構成するポリイミドの熱膨張係数は約２５×１０-6／℃であり、バリア金属層１６を構成するＮｉの熱膨張係数は１３×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃である。
このような課題に対し、本実施形態では、半導体装置１Ａを製造する際に、シード金属層１５の端縁１５ａを覆うマスクＲを形成し、マスクＲの開口Ｒａ内に限定してバリア金属層１６を成長させている。これにより、バリア金属層１６の成長を縦方向に限定し、横方向の成長を制限することができる。故に、バリア金属層１６がシード金属層１５の端縁１５ａを越えて有機絶縁層１４上に成長することを抑制できる。従って、本実施形態によれば、半田の侵入に起因するバリア金属層１６と金属配線１２との界面の破断を低減し、半導体装置１Ａの信頼性を向上できる。また、本実施形態によれば、従来の製造方法に対してマスクＲの形成工程および除去工程を追加するだけで済み、製造工程数の大幅な増大を抑制できる。
なお、本実施形態のマスクＲは、有機材料を主に含む。このマスクＲを例えばＣｕといった金属により形成することも考えられるが、マスクＲを有機材料により形成する場合、次のような利点がある。すなわち、半導体装置の信頼性を更に向上するためにバリア金属層１６を厚くすると、マスクＲもそれに合わせて厚くする必要がある。有機材料は金属と比較して剛性が低く柔軟性を有するので、マスクＲを厚く形成した場合であっても、周囲のストレスの影響を受けにくくなる。
また、本実施形態のように、バリア金属層１６を形成する工程の後に、バリア金属層１６上に半田ボール１７を形成する工程を設けてもよい。半田ボール１７を形成する際には、リフローによる大きな温度変化が生じる。本実施形態の製造方法によれば、そのような場合であっても、バリア金属層１６の剥がれを抑制し、半導体装置１Ａの信頼性を向上できる。
また、本実施形態のように、バリア金属層１６を形成する工程に連続して、Ａｕ層５１をバリア金属層１６上に形成する工程を設けてもよい。これにより、半田ボール１７に対するバリア金属層１６の表面の濡れ性が改善し、半田ボール１７を容易に形成することができる。このＡｕ層５１は、以後の熱処理工程により、最終的に半田ボール１７内にほぼ拡散して消失する。
また、本実施形態のように、マスクＲはネガ型レジストを含み、バリア金属層１６を形成する工程の後にマスクＲを除去する工程を設けてもよい。ポジ型レジストを用いた場合、露光時に光が照射された箇所のレジストが現像により除去され、露光時に光が照射されなかった箇所が残る。光を照射する際にムラが生じると、レジストの開口内（すなわちシード金属層１５上）に残渣が発生することがある。この残渣により、シード金属層１５とバリア金属層１６との密着性が低下してしまうおそれがある。これに対し、ネガ型レジストを用いた場合、露光時に光が照射された箇所のレジストが現像時に残り、露光時に光が照射されなかった箇所が現像により除去される。このため、レジストの開口内（すなわちシード金属層１５上）に残渣が発生し難い。よって、シード金属層１５とバリア金属層１６との密着性の低下を抑制することができる。
なお、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して粘度が低く、露光時間が短く、必要な露光量が少ない。従って、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して現像し易いため、残渣が発生しにくい。また、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して、剥離液を用いた溶解を短時間で容易に行うことができるので、半導体装置１Ａの特性のばらつきを抑制できる。
また、ネガ型レジストを厚く形成した場合、開口の内側面を逆テーパ形状とすることが容易である。レジスト開口の内側面が逆テーパ形状である場合、バリア金属層１６は台形状になる。逆に、レジスト開口の内側面がテーパ形状である場合、バリア金属層１６は逆台形状になる。バリア金属層１６上に形成される半田ボール１７は濡れ性によって接合されるので、バリア金属層１６が逆台形状である場合、半田ボール１７がバリア金属層１６の側面に回り込むことが難しく、接合面が小さくなり、プロセスばらつきや、空気が入ってボイドが発生する要因となる。バリア金属層１６が台形状である場合には、半田ボール１７はほぼ表面全体に接合するので、上記の不都合が無く、密着性が向上する。このように、レジスト開口の内側面を逆テーパ形状とすることで、バリア金属層１６の形状を容易に変化させることができ、半田ボール１７との密着強度を高めることが可能となる。
また、本実施形態のように、バリア金属層１６はＮｉ層であり、該Ｎｉ層の厚さは３μｍ〜６μｍの範囲内であってもよい。Ｎｉは半田と相互拡散し難いので、半田ボール１７の下地として好適である。また、Ｎｉ層をこのように厚く設けることによって、半導体装置１Ａの信頼性をより高めることができる。
また、本実施形態のように、シード金属層１５は、Ｔｉ層及びＴｉ層上に設けられたＰｄ層を含み、Ｔｉ層の厚さは５０ｎｍであり、Ｐｄ層の厚さは１００ｎｍであってもよい。これにより、Ｔｉ層によりシード金属層１５と金属配線１２の密着性が高まり、一方、Ｐｄ層の存在により、バリア金属層１６の無電解メッキを容易に行うことが可能となる。
また、本実施形態のように、マスクＲを形成する工程において、シード金属層１５の端縁１５ａからマスクＲの内側の縁までの距離Ｗ２を４μｍ〜８μｍの範囲内としてもよい。これにより、マスクＲの除去後におけるバリア金属層１６の端縁１６ａとシード金属層１５の端縁１５ａとの距離Ｗ１として４μｍ〜８μｍを確保することができ、上述した本実施形態の効果を十分に得ることができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の、半田ボール１７の下地構造を示す拡大断面図である。なお、半田ボール１７の図示は省略している。本実施形態において上述した第１実施形態と異なる点は、マスクの材料である。本実施形態では、有機材料を主に含む第１実施形態のマスクＲに代えて、無機誘電体材料を主に含むマスク１８を設ける。一例では、マスク１８は絶縁性シリコン化合物を主に含む。絶縁性シリコン化合物は、例えばＳｉＮまたはＳｉＯ2である。マスク１８は半導体装置の作製後も半導体装置に残存する。換言すれば、本実施形態の半導体装置は、第１実施形態の構成に加えて、マスク１８を更に備える。
マスク１８はシード金属層１５上に開口１８ａを有し、開口１８ａの内径は開口１４ａの内径よりも大きく、シード金属層１５の外径よりも小さい。従って、半導体領域１０の厚さ方向からみて開口１８ａはシード金属層１５に含まれており、マスク１８の開口１８ａ付近の部分はシード金属層１５の端縁１５ａを覆う。マスク１８の開口１８ａの内側面とシード金属層１５の端縁１５ａとの距離Ｗ３は、例えば４μｍ〜８μｍの範囲内である。また、マスク１８の開口１８ａは、シード金属層１５の開口１３ａ，１４ａ内に形成された部分を露出する。マスク１８の厚さは、バリア金属層１６の厚さに応じて決定され、例えば１．０μｍ〜３．５μｍの範囲内である。
バリア金属層１６は、マスク１８から露出したシード金属層１５上に設けられている。バリア金属層１６の外側面（端縁１６ａ）は、マスク１８の開口１８ａの内側面に接しており、シード金属層１５の端縁１５ａよりも内側（開口１４ａ側）に位置する。換言すると、バリア金属層１６の厚さ方向から見て、バリア金属層１６はマスク１８の内側に限定して設けられている。なお、マスク１８の平面形状は例えば円環状である。
図６の（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。まず、第１実施形態の同様にして、半導体領域１０、無機絶縁層１１、金属配線１２、無機絶縁層１３、有機絶縁層１４、及びシード金属層１５をこの順に形成する。次に、有機絶縁層１４上にマスク１８を形成する。具体的には、まず、図６の（ａ）に示されるように、マスク１８の構成材料からなる膜１８Ａを半導体領域１０上の全面に形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、端縁１５ａ上にレジストマスクを形成する。そして、レジストマスクから露出した膜１８Ａをエッチングにより除去する。これにより、図６の（ｂ）に示されるように、端縁１５ａを覆うマスク１８を形成することができる。その後、レジストマスクを除去する。
続いて、図６の（ｃ）に示されるように、マスク１８から露出したシード金属層１５上に、バリア金属層１６を形成する。このとき、バリア金属層１６を、シード金属層１５をシードメタルとする無電解メッキ法により形成する。この工程では、無電解メッキにおけるシードメタル（シード金属層１５）の露出面がマスク１８によって制限される。従って、バリア金属層１６は、マスク１８によって制限された範囲内（開口１８ａ内）で成長する。マスク１８は、バリア金属層１６の横方向の成長を制限する。その結果、開口１８ａ内はバリア金属層１６によって充填される。以降の工程は、第１実施形態の同様である。
本実施形態では、半導体装置を製造する際に、シード金属層１５の端縁１５ａを覆うマスク１８を形成し、マスク１８の開口１８ａ内に限定してバリア金属層１６を成長させている。これにより、バリア金属層１６の成長を縦方向に限定し、横方向の成長を制限することができる。故に、バリア金属層１６がシード金属層１５の端縁１５ａを越えて有機絶縁層１４上に成長することを抑制できる。従って、本実施形態においても、半田の侵入に起因するバリア金属層１６と金属配線１２との界面の破断を低減し、半導体装置１Ａの信頼性を向上できる。
また、本実施形態では、第１実施形態と異なり、マスク１８が無機誘電体材料を主に含む。この場合、マスク１８を除去せず残存させることができるので、シード金属層１５の端縁１５ａ付近が露出することを回避できる。従って、シード金属層１５の周縁部の劣化を抑制できる。
また、無機の誘電体材料（例えばＳｉＮ）と有機材料（例えばポリイミド）とは、互いに同等の熱膨張係数を有する。従って、温度変化により生じる応力を低減することができ、マスク１８が有機絶縁層１４から剥がれることを抑制できるので、半導体装置１Ａの信頼性を更に向上できる。なお、マスク１８はバリア金属層１６と接しており、バリア金属層１６とマスク１８とでは熱膨張係数が大きく異なる。従って、バリア金属層１６が温度変化に応じて膨張・収縮を繰り返すと、そのストレスがマスク１８に及ぶ。しかしながら、マスク１８にクラックが生じても該クラックはそれ以上進行しないので、マスク１８と有機絶縁層１４との密着状態は保たれ、半田の侵入は抑制される。
なお、マスク１８と有機絶縁層１４との密着性をより高める方法として、例えばマスク１８の膜質を厚さ方向に変化させる方法がある。すなわち、マスク１８のうち有機絶縁層１４と接する箇所では無機誘電体材料の緻密性を低く、有機絶縁層１４から離れるに従い無機誘電体材料の緻密性を高くするとよい。このようなマスク１８は、膜質が異なる複数の層を積層するか、或いは厚さ方向に膜質を連続的に変化させることよって実現できる。
（変形例）
図７〜図１１は、上記第１実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。まず、図７の（ａ）に示されるように、半導体基板２１上に半導体層２２をエピタキシャル成長し、半導体領域１０を形成する。次に、半導体層２２と接する電極２３を半導体層２２上に形成し、電極２３及び半導体層２２の表面をパッシべーション膜２４によって覆う。電極２３は、例えばオーミック電極である。パッシべーション膜２４は、例えばＳｉＮ膜である。そして、パッシべーション膜２４に開口を形成して電極２３を露出する。
次に、図７の（ｂ）に示されるように、ポリイミド層２５（最下層）を塗布し、ポリイミド層２５上にＳｉＮ層２６を形成する。ポリイミド層２５の厚さは例えば１．４μｍであり、ＳｉＮ層２６の厚さは例えば１００ｎｍである。そして、ＳｉＮ層２６上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してＳｉＮ層２６をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層２５を露出する。レジストパターンを除去した後、ＳｉＮ層２６の開口を介してポリイミド層２５をエッチングして開口を形成し、電極２３を露出する。
続いて、図７の（ｃ）に示されるように、シードメタル２７及び金属配線２８（最下層）を電極２３上に形成する。シードメタル２７の厚さは例えば５１５ｎｍである。金属配線２８は例えばＡｕからなり、その厚さは例えば１μｍである。具体的には、まず、シードメタル２７を半導体領域１０上の全面に蒸着し、厚さ方向から見てＳｉＮ層２６の開口を含む開口を有するレジストパターンをシードメタル２７上に形成する。その後、電解メッキ処理によりレジストパターンの開口内に金属配線２８を形成する。レジストパターンを剥離した後、シードメタル２７のうち金属配線２８から露出した部分をエッチングにより除去する。その後、熱処理を行う。熱処理温度は例えば３５０℃である。メッキ処理直後の金属はいわゆる疎の状態であるため、熱処理を行うことによって、これを通常の状態に回復することができる。
続いて、図８の（ａ）に示されるように、ＳｉＮ層２９、ポリイミド層３０（中間層）、及びＳｉＮ層３１をこの順で形成する。ポリイミド層３０の厚さは例えば２．０μｍであり、ＳｉＮ層３１の厚さは例えば１３０ｎｍである。ＳｉＮ層３１上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してＳｉＮ層３１をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層３０を露出する。レジストパターンを除去した後、ＳｉＮ層３１の開口を介してポリイミド層３０およびＳｉＮ層２９をエッチングして開口を形成し、金属配線２８を露出する。
続いて、図８の（ｂ）に示されるように、シードメタル３２及び金属配線３３（中間層）を金属配線２８上に形成する。シードメタル３２の厚さは例えば２０５ｎｍである。金属配線３３は例えばＡｕからなり、その厚さは例えば１μｍである。なお、シードメタル３２及び金属配線３３の形成方法は、前述したシードメタル２７及び金属配線２８と同様である。
続いて、図８の（ｃ）に示されるように、ＳｉＮ層３４、ポリイミド層３５、及びＳｉＮ層３６をこの順で形成する。ＳｉＮ層３４の厚さは例えば３００ｎｍであり、ポリイミド層３５の厚さは例えば２．０μｍであり、ＳｉＮ層３６の厚さは例えば３００ｎｍである。ＳｉＮ層３６上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してＳｉＮ層３６をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層３５を露出する。レジストパターンを除去した後、ＳｉＮ層３６の開口を介してポリイミド層３５およびＳｉＮ層３４をエッチングして開口を形成し、金属配線３３を露出する。
続いて、図９の（ａ）に示されるように、シードメタル３７及び金属配線３８（中間層）を金属配線３３上に形成する。シードメタル３７の厚さは例えば２０５ｎｍである。金属配線３８は例えばＡｕからなり、その厚さは例えば１μｍである。なお、シードメタル３７及び金属配線３８の形成方法は、前述したシードメタル２７及び金属配線２８と同様である。
続いて、図９の（ｂ）に示されるように、ＳｉＮ層３９、ポリイミド層４０（中間層）、及びＳｉＮ層４１をこの順で形成する。ＳｉＮ層３９の厚さは例えば２００ｎｍであり、ポリイミド層４０の厚さは例えば２．０μｍであり、ＳｉＮ層４１の厚さは例えば２００ｎｍである。ＳｉＮ層４１上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してＳｉＮ層４１をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層４０を露出する。レジストパターンを除去した後、ＳｉＮ層４１の開口を介してポリイミド層４０およびＳｉＮ層３９をエッチングして開口を形成し、金属配線３８を露出する。
続いて、図１０の（ａ）に示されるように、シードメタル４２及び金属配線４３（最上層）を金属配線３８上に形成する。シードメタル４２の厚さは例えば２０５ｎｍである。金属配線４３は例えばＡｕからなり、その厚さは例えば２μｍである。なお、シードメタル４２及び金属配線４３の形成方法は、前述したシードメタル２７及び金属配線２８と同様である。
続いて、図１０の（ｂ）に示されるように、ＳｉＮ層４４、ポリイミド層４５（最上層）、及びＳｉＮ層４６をこの順で形成する。ＳｉＮ層４４の厚さは例えば２００ｎｍであり、ポリイミド層４５の厚さは例えば６．０μｍであり、ＳｉＮ層４６の厚さは例えば２００ｎｍである。ＳｉＮ層４６上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してＳｉＮ層４６をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層４５を露出する。レジストパターンを除去した後、ＳｉＮ層４６の開口を介してポリイミド層４５およびＳｉＮ層４４をエッチングして開口を形成し、金属配線４３を露出する。なお、本変形例において、金属配線４３は第１実施形態の金属配線１２に相当し、ＳｉＮ層４４は第１実施形態の無機絶縁層１３に相当し、ポリイミド層４５は第１実施形態の有機絶縁層１４に相当する。
続いて、図１１の（ａ）に示されるように、金属配線４３上にシード金属層１５を形成する。具体的には、まず金属配線４３の露出部分を含む開口を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンの開口内およびレジストパターン上にシード金属層１５の金属材料を蒸着し、レジストパターン上の金属材料をレジストパターンとともに除去する（リフトオフ）。なお、シード金属層１５の構成は前述した第１実施形態と同様である。
続いて、図１１の（ｂ）に示されるように、開口Ｒａを有するマスクＲを形成し、無電解メッキ法を用いてバリア金属層１６を開口Ｒａ内に形成する。マスクＲおよびバリア金属層１６の具体的な形状及び構成材料は、前述した第１実施形態と同様である。バリア金属層１６の厚さは例えば３μｍ〜６μｍの範囲内である。その後、無電解メッキ法を用いてＡｕ層５１（図１を参照）をバリア金属層１６上に形成する。Ａｕ層５１の厚さは例えば１０ｎｍである。マスクＲを除去し、半田ボール１７（図１を参照）を形成して、半導体装置が完成する。
本発明による半導体装置の製造方法および半導体装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施形態では、バリア金属層の横方向の成長を制限するためのマスクを構成する有機誘電体材料として、フォトレジストが例示されている。有機誘電体材料としてはこれ以外にも様々な材料を用いることができる。また、第２実施形態では、バリア金属層の横方向の成長を制限するためのマスクを構成する無機誘電体材料として、絶縁性シリコン化合物（ＳｉＮまたはＳｉＯ2）が例示されている。無機誘電体材料としてはこれ以外にも様々な材料を用いることができる。また、上記各実施形態では、半導体領域の例としてＨＥＭＴを例示したが、本発明に係る製造方法は、ＨＥＭＴに限らず、金属配線および半田ボールを備える様々な半導体装置に適用可能である。
１Ａ…半導体装置、１０…半導体領域、１１…無機絶縁層、１２…金属配線、１３…無機絶縁層、１３ａ…開口、１４…有機絶縁層、１４ａ…開口、１４ｂ…表面、１５…シード金属層、１５ａ…端縁、１６…バリア金属層、１６ａ…端縁、１７…半田ボール、１８…マスク、１８Ａ…膜、１８ａ…開口、２１…半導体基板、２２…半導体層、２３…電極、２４…パッシべーション膜、２５，３０，３５，４０，４５…ポリイミド層、２６…ＳｉＮ層、２７，３２，３７，４２…シードメタル、２８，３３，３８，４３…金属配線、２９，３１，３４，３６，３９，４１，４４，４６…ＳｉＮ層、５１…Ａｕ層、Ｒ…マスク、Ｒａ…開口。

Claims (10)

  1. 金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第１工程と、
    前記金属配線の前記開口から露出した部分、前記有機絶縁層の前記開口の内側面、及び前記有機絶縁層の前記開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第２工程と、
    前記シード金属層の端縁を覆い、前記シード金属層の前記開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第３工程と、
    前記マスクから露出した前記シード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第４工程と、
    を含み、
    前記マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む、半導体装置の製造方法。
  2. 前記第４工程の後に、前記バリア金属層上に半田ボールを形成する第５工程を更に含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第５工程では、直径１６０μｍの前記半田ボールを２５０℃でリフロー形成する、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第５工程の前に前記第４工程に連続して、Ａｕ層を前記バリア金属層上に形成する工程を更に含み、該Ａｕ層の厚さは１０ｎｍである、請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記マスクはネガ型レジストを含み、
    前記第４工程の後に前記マスクを除去する工程を更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記マスクは絶縁性シリコン化合物を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記バリア金属層はＮｉ層であり、該Ｎｉ層の厚さは３μｍ〜６μｍの範囲内である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記シード金属層は、Ｔｉ層及び前記Ｔｉ層上に設けられたＰｄ層を含み、前記Ｔｉ層の厚さは５０ｎｍであり、前記Ｐｄ層の厚さは１００ｎｍである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第３工程において、前記シード金属層の前記端縁から前記マスクの内側の縁までの距離は４μｍ〜８μｍの範囲内である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 半導体領域と、
    前記半導体領域の面上に設けられた金属配線と、
    前記半導体領域の前記面上に設けられ、前記金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層と、
    前記金属配線の前記開口から露出した部分、前記有機絶縁層の前記開口の内側面、及び前記有機絶縁層の前記開口の周縁部を覆うシード金属層と、
    前記シード金属層の端縁を覆い、前記シード金属層の前記開口内に形成された部分を露出するマスクと、
    前記マスクから露出した前記シード金属層上に設けられ、外側面が前記マスクの内側面に接するとともに前記マスクの内側に限定して設けられたバリア金属層と、
    を備え、
    前記マスクは、無機誘電体材料を主に含む、半導体装置。
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